一種螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設備

李小林 金守寬

摘 要：本文設計了一種螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設備，該設備采用螺旋鉸龍對淤泥進行切割和輸送。文中介紹了螺旋挖掘式淤泥清理設備的結構組成、工作原理，并且對主要構件螺旋鉸龍進行了受力分析，給出了該裝置設計的力學依據。

關鍵詞：淤泥清理方法;螺旋鉸龍;螺旋挖掘與輸送

引言

在我們日常生活和生產過程中有許多需要清理淤泥的場合，像河道、港口、化糞池、沉淀池、水庫等等，如圖1所示。

目前對淤泥的清理方式主要有人工清理，挖掘機清理以及鉸吸式清理等。人工清理勞動強度大，工作環境惡劣，生產效率低。挖掘機清理只適應于工作場地大，作業量大的場合，在對水下淤泥挖掘時，一部分淤泥會在上升過程中被水沖刷流回原處，因此清淤效率低。[1]

鉸吸式清理的基本原理如圖2所示，是通過攪拌裝置將淤泥與水攪拌成泥漿，然后用泥漿泵吸出，用排水管道將泥漿輸送到岸邊的沉淀場地，通過沉淀使泥水分離。

鉸吸式清理適用于有大量水源的河道、港口、池塘等，這種方法柔性好、適應性廣。缺點是吸出的泥漿需要沉淀濾出水份后才能裝車運走，需要較大的沉淀場地，會造成環境污染;另外在鉸吸過程中吸出的多數是水，少數是泥，因此消耗了大量的無用功，浪費能源，增大了清淤的成本，清淤效率較低。[2]

1 螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設備的結構及工作原理

基于前面各種清淤方法的分析，我們設計了一種螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設備，該設備的結構見圖3。

圖中立式電動機2與擺線針輪減速機3的輸入軸連接，擺線針輪減速機3的輸出軸與螺旋鉸龍軸10連接，帶動螺旋鉸龍軸旋轉，螺旋鉸龍軸上端通過兩個向心推力軸承固定在軸承座管8內，鉸龍外套管14通過法蘭盤11與軸承座管連接，輸送管道1通過法蘭盤13連接到鉸龍外套管的出口。鉸龍外套管的直徑D以及螺旋鉸龍軸上的螺旋葉片的螺距L，可以根據挖掘泥土的效率要求在設計時進行調整。

螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設備的工作過程如下：利用其他施力裝置對鉸龍軸外套管施加軸向壓力，使鉸龍軸外套管入口端切入淤泥中，外套管內的淤泥被切離于其他淤泥，驅動裝置帶動螺旋鉸龍軸轉動，鉸龍軸上的螺旋葉片切割并推動管內泥土向上移動，再通過輸送管道將泥土輸送到需要的地方，完成泥土的挖掘與輸送。當鉸龍外套管深入到淤泥底層堅硬部分而不能繼續下降時，由施力裝置將其提升至泥土表面，橫向移動一個鉸龍外套管直徑距離，然后再重復前述過程，直至淤泥挖凈為止。[3]

對于化糞池、沉淀池等深度比較淺的淤泥清理場合，運用一節圖3所示的螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設備既可以滿足使用需要。但是如港口、水庫等具有較深水面或者較遠距離的淤泥挖掘與輸送場合，一節螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設備難以滿足使用需要，此時可以采用多節銜接接力傳送的方法，如圖5所示。

其中第一節螺旋輸送式淤泥清理設備與前述作用相同，即有挖掘功能也有輸送功能，第二節及以后的各節螺旋輸送式淤泥清理設備僅起輸送作用。也即第二節及以后的各節螺旋輸送式淤泥清理設備的入口通過法蘭盤與前一級螺旋輸送式淤泥清理設備的出口相連接，將前一級螺旋輸送式淤泥清理設備輸送過來的淤泥繼續向后輸送，直至將淤泥輸送到運輸車中。

2 受力分析與設計要點

對螺旋輸送式淤泥清理設備進行受力分析，有助于弄清楚該設備的工作原理，為合理設計該設備提供理論依據。我們以處于螺旋葉面上的淤泥為研究對象分析其受力情況，其受力如圖5所示。

圖中G為淤泥的重力，該重力可以分解為垂直壓向螺旋葉片表面的分力N和平行于螺旋葉片表面的分力F，N是螺旋葉片對淤泥的支反力，并且N= N。從圖中看出分力N和分力F的大小與螺旋葉片的螺旋升角α有關，α增大，則分力F增大，分力N減小。力P是驅動螺旋鉸龍軸轉動的力矩M除以轉動半徑r得到的力，即P=M/r，力P的作用線與螺旋表面受力點轉動的圓形軌跡相切，方向與螺旋表面轉動的旋向一致，力P與力N?的合力R是推動物料上升的動力。

根據上述受力分析可知設計要點如下：

由于力R與力N?的大小有關，力N?越大則力R越大，而力N?與螺旋升角α成反比，α增大，則分力N?減小，綜合考慮提升速度和提升力的關系，角α一般在150--250為宜。

當螺旋鉸龍軸轉速較高時，淤泥的離心力比較大，與鉸龍外套管之間的摩擦力也會增大，不利于淤泥的向上輸送，同時還有被鉸成泥漿的可能，而泥漿是不能被立式螺旋輸送的，因此，螺旋鉸龍軸的轉速一般在60r/min--90r/min為宜。

為了防止鉸龍葉片與鉸龍外套管的內壁接觸產生摩擦而影響轉動，二者之間的間隙為1mm--2mm之間為宜。

結論：與現有的淤泥清理方式相比，螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設備具有明顯的優點：

1）清淤效率高，節能效果顯著;因為螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設備挖掘和輸送的過程中只有淤泥沒有水，與鉸吸式清理相比，節省了攪拌過程以及大量吸水所消耗的無用功能量。與挖掘機挖掘相比，節省了挖掘機往返的空行程和被水沖刷掉淤泥所消耗的無用功能量。

2） 操作簡便，操作空間小，且不污染環境;螺旋輸送式淤泥清理設備工作時只是在淤泥中上下移動進行挖掘，沒有大范圍移動或廻轉，因此操作空間小，操作簡便，除了應用于港口、河道、水庫等，還可以廣泛適用于各種化糞池、沉淀池等空間范圍狹小場合的淤泥清理工作。另外輸出的泥土可以直接裝車，不需要沉淀過濾等，因此不污染環境。[4]

3）設備結構簡單，成本低廉，易于推廣應用。

總之，螺旋挖掘與輸送式淤泥清理是一種新型淤泥清理設備與方法，具有前述各種淤泥清理方法不具備的優點，值得推廣應用。

參考文獻：

[1]申長璞，李永祥，王明旭，國內外城市河道淤泥清理設備發展現狀的探討[J]現代制造技術與裝備，2015第六期。

[2]王經超，河道清淤施工方式與工況條件分析，工程管理，2020年3月。

[3]金守寬， 螺旋輸送式化糞池清理裝置及化糞池清理方法，ZL201610075011.5，2018年02月06日。

[4]王秉飛，煤礦水倉清理機器人的設計，機械管理開發，2020年第九期

作者簡介：

李小林，（1999年10月），男，漢族，浙江省紹興市），本科，學生，機械設計制造及自動化

通訊作者：金守寬（1955年1月），男，漢族，籍貫 遼寧省本溪市，碩士研究生，副教授，機械設計制造及自動化，指導教師。